伺服電動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)
01伺服電機(jī)的概述
伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
02伺服電機(jī)的工作原理
1、伺服系統(tǒng)（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。
2、交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。
3、伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單，便宜。
03交流伺服電機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)的區(qū)別
直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通直流電機(jī)差不多，只是直流電機(jī)為滿足低慣量采用細(xì)長(zhǎng)電樞，盤形或空心杯的。交流伺服電機(jī)有兩相交流繞組，空間相差90點(diǎn)角度，其中一組為勵(lì)磁繞組，另一組為控制繞組。其控制方式有幅值控制，相位控制，幅值相位復(fù)合控制。大多采用復(fù)合控制。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻一般很大，這樣可以防止自轉(zhuǎn)，當(dāng)控制電壓消失后，由于有勵(lì)磁電壓，此時(shí)的交流伺服電機(jī)中會(huì)有脈振磁動(dòng)勢(shì)，由于電阻大，T-S曲線發(fā)生偏移，反轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)產(chǎn)生的T要變大，所以此時(shí)合成的T為制動(dòng)性質(zhì)的，，會(huì)停轉(zhuǎn)。
交流伺服電機(jī)比直流伺服電機(jī)性能好一些
從定義上講，交流伺服電機(jī)是，交流電機(jī)的一種，通過伺服驅(qū)動(dòng)器的矢量控制理論控制電機(jī)的扭矩，速度，位置等等，把交流電通過等換計(jì)算的方式去控制電機(jī)，所以制造技術(shù)和伺服驅(qū)動(dòng)器的軟件方面比較難開發(fā)，國(guó)內(nèi)廠家目前都在仿造日系或者歐美產(chǎn)品。
直流伺服電機(jī)，就是把直流電機(jī)加上編碼器 形成閉環(huán)控制，電機(jī)的控制方法基本就是改變電流的大小來改變電機(jī)的 扭矩，速度等參數(shù)。我國(guó)最早的伺服系統(tǒng)就是直流伺服系統(tǒng)，軍工方面用的比較多，發(fā)展歷史時(shí)間長(zhǎng)。我國(guó)最早的衛(wèi)星東方紅，控制方向的就用的直流伺服電機(jī)。
推薦使用交流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)太熱，控制精度不好。使用壽命短。
04伺服電動(dòng)機(jī)與單相異步電動(dòng)機(jī)比較
交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：
1、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大
由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0>1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。
2、運(yùn)行范圍較廣
3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象
正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）。交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。
交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。
05伺服電機(jī)的調(diào)試方法
1、初始化參數(shù)
在接線之前，先初始化參數(shù)。
在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時(shí)默認(rèn)使能信號(hào)關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確保控制卡再次上電時(shí)即為此狀態(tài)。
在伺服電機(jī)上：設(shè)置控制方式；設(shè)置使能由外部控制；編碼器信號(hào)輸出的齒輪比；設(shè)置控制信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)9V的控制電壓。比如，山洋是設(shè)置1V電壓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，出廠值為500，如果你只準(zhǔn)備讓電機(jī)在1000轉(zhuǎn)以下工作，那么，將這個(gè)參數(shù)設(shè)置為111。
2、接線
將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號(hào)線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號(hào)線、伺服輸出的編碼器信號(hào)線。復(fù)查接線沒有錯(cuò)誤后，電機(jī)和控制卡（以及PC）上電。此時(shí)電機(jī)應(yīng)該不動(dòng)，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不是這樣，檢查使能信號(hào)的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，檢查控制卡是否可以正確檢測(cè)到電機(jī)位置的變化，否則檢查編碼器信號(hào)的接線和設(shè)置
3、試方向
對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號(hào)的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號(hào)。這是伺服應(yīng)該以一個(gè)較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會(huì)有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個(gè)指令或參數(shù)，看電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個(gè)指令（參數(shù)）控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認(rèn)給出正數(shù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，編碼器計(jì)數(shù)增加；給出負(fù)數(shù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計(jì)數(shù)減小。如果電機(jī)帶有負(fù)載，行程有限，不要采用這種方式。測(cè)試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機(jī)上的參數(shù)，使其一致。
4、抑制零漂
在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會(huì)對(duì)控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細(xì)調(diào)整，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機(jī)性，所以，不必要求電機(jī)轉(zhuǎn)速絕對(duì)為零。
5、建立閉環(huán)控制
再次通過控制卡將伺服使能信號(hào)放開，在控制卡上輸入一個(gè)較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺了，如果實(shí)在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號(hào)打開。這時(shí)，電機(jī)應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運(yùn)動(dòng)指令大致做出動(dòng)作了。
6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)
細(xì)調(diào)控制參數(shù)，確保電機(jī)按照控制卡的指令運(yùn)動(dòng)，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗(yàn)，這里只能從略了。
06伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能比較
步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
一、控制精度不同
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。
交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以三洋全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
二、低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。
交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。
三、矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
四、過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以三洋交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
五、運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
六、速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。
07伺服電機(jī)的制動(dòng)方式的理解
用戶往往對(duì)電磁制動(dòng)，再生制動(dòng)，動(dòng)態(tài)制動(dòng)的作用混淆，選擇了錯(cuò)誤的配件。
動(dòng)態(tài)制動(dòng)器由動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻組成，在故障、急停、電源斷電時(shí)通過能耗制動(dòng)縮短伺服電機(jī)的機(jī)械進(jìn)給距離。
再生制動(dòng)是指伺服電機(jī)在減速或停車時(shí)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經(jīng)阻容回路吸收。
電磁制動(dòng)是通過機(jī)械裝置鎖住電機(jī)的軸。
三者的區(qū)別：
(1)再生制動(dòng)必須在伺服器正常工作時(shí)才起作用，在故障、急停、電源斷電時(shí)等情況下無法制動(dòng)電機(jī)。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)工作時(shí)不需電源。
(2)再生制動(dòng)的工作是系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行，而動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)的工作需外部繼電器控制。
(3)電磁制動(dòng)一般在SV、OFF后啟動(dòng)，否則可能造成放大器過載，動(dòng)態(tài)制動(dòng)器一般在SV、OFF或主回路斷電后啟動(dòng)，否則可能造成動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻過熱。
08伺服電機(jī)的注意事項(xiàng)
一、伺服電機(jī)油和水的保護(hù)
A：伺服電機(jī)可以用在會(huì)受水或油滴侵襲的場(chǎng)所，但是它不是全防水或防油的。因此， 伺服電機(jī)不應(yīng)當(dāng)放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。
B：如果伺服電機(jī)連接到一個(gè)減速齒輪，使用伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)加油封，以防止減速齒輪的油進(jìn)入伺服電機(jī)
C：伺服電機(jī)的電纜不要浸沒在油或水中。
二、伺服電機(jī)電纜→減輕應(yīng)力
A：確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負(fù)荷，尤其是在電纜出口處或連接處。
B：在伺服電機(jī)移動(dòng)的情況下，應(yīng)把電纜（就是隨電機(jī)配置的那根）牢固地固定到一個(gè)靜止的部分（相對(duì)電機(jī)），并且應(yīng)當(dāng)用一個(gè)裝在電纜支座里的附加電纜來延長(zhǎng)它，這樣彎曲應(yīng)力可以減到最小。
C：電纜的彎頭半徑做到盡可能大。
三、伺服電機(jī)允許的軸端負(fù)載
A：確保在安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加到伺服電機(jī)軸上的徑向和軸向負(fù)載控制在每種型號(hào)的規(guī)定值以內(nèi)。
B：在安裝一個(gè)剛性聯(lián)軸器時(shí)要格外小心，特別是過度的彎曲負(fù)載可能導(dǎo)致軸端和軸承的損壞或磨損
C：最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負(fù)載低于允許值，此物是專為高機(jī)械強(qiáng)度的伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的。
D：關(guān)于允許軸負(fù)載，請(qǐng)參閱“允許的軸負(fù)荷表”（使用說明書）。
四、伺服電機(jī)安裝注意
A：在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機(jī)軸端時(shí)，不要用錘子直接敲打軸端。（錘子直接敲打軸端，伺服電機(jī)軸另一端的編碼器要被敲壞）
B：竭力使軸端對(duì)齊到最佳狀態(tài)（對(duì)不好可能導(dǎo)致振動(dòng)或軸承損壞）。
